冷冻干燥技术

绪论冷冻干燥是将含水物质，先冻结成固态，而后使其中的水分从固态升华成气态，以除去水分而保存物质的方法。

这种干燥方法与通常的晒干、烘干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比有许多突出的优点，如：（1）它是在低温下干燥，不使蛋白质、微生物之类产生变性或失去生物活力。

这对于那些热敏性物质，如疫苗、菌类、毒种、血液制品等的干燥保存特别适用。

（2）由于是低温干燥，使物质中的挥发性成分和受热变性的营养成分损失很小，是化学制品、药品和食品的优质干燥方法。

（3）在低温干燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进行，能最好地保持物质原来的性状。

（4）干燥后体积、形状基本不变，物质呈海棉状，无干缩；复水时，与水的接触面大，能迅速还原成原来的性状。

（5）因系真空下干燥，氧气极少，使易氧化的物质得到了保护。

（6）能除去物质中95～99%的水分，制品的保存期长。

总之，冷冻干燥是一种优质的干燥方法。

但是它需要比较昂贵的专用设备，干燥过程中的耗能较大，因此加工成本高，目前主要应用在以下一些方面：（1）生物制品、药品方面：如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗等。

（2）微生物和藻类方面：如酵母、酵素、原生物、微细藻类等。

（3）生物标本、活组织方面：如制作各种动植物标本，干燥保存用于动物异种移植或同种移植的皮层、角膜、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。

（4）制作用于光学显微镜、电子扫描和投射显微镜的小组织片。

（5）食品的干燥：如咖啡、茶叶、鱼肉蛋类、海藻、水果、蔬菜、调料、豆腐、方便食品等。

（6）高级营养品及中草药方面：如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制剂等。

（7）其他：如化工中的催化剂，冻干后可提高催化效率5-20倍；将植物叶子、土壤冻干后保存，用以研究土壤、肥料、气候对植物生长的影响及生长因子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻干法干燥，能最大限度的保持原状等。

冷冻干燥能保存食物很早就为人们所知。

古代北欧的海盗利用干寒空气的自然条件来干燥和保存食物，就是其中一列。

但是，将冷冻干燥作为科学技术还是近百年来的事。

1890年啊特曼（Altmann）在制作标本时，为了防止标本中的物质在有机溶剂中溶解，造成不可逆损失，改变过去用有机溶剂脱水的方法，采用冷冻干燥法冻干各种器官和组织。

他的工作确立了生物标本系统的冻干程序，这是冻干在制作生物标本中的最早应用。

1909年谢盖尔（Shackell）将冻干引入细菌学和血清学领域。

他采用了盐水预冻，在真空状态下，用硫酸做吸水剂，对补体、抗毒素、狂犬病毒等进行冻干，其设备虽十分简陋，但却是后世先进冻干机的雏形。

1912年卡瑞尔（Carrel）首先提出用冻干技术为外科移植保存组织。

1935年第一台商用冻干机问世。

1940年冻干人血浆开始投入市场。

第二次世界大战中，由于需要大量的冻干人血浆和青霉素，因而冻干在医药、血液制品等方面的应用得到迅速的发展。

艾尔塞（Elser）、沸烙斯道夫（Flosdorf）、格雷夫斯（Greaves）和他们的同事们，一方面进行冻干基础理论的研究，一方面进行装置大型化、现代化的改进，使冻干技术从实验室阶段向工业生产和产品商品化发展。

战后，冻干法又迅速扩展到各种疫苗、药品等领域。

1930年沸烙斯道夫进行了食品冻干的试验，1949年他在著作中展望了冻干在食品和其他疏松材料方面应用的前景。

二次世界大战后，英国食品部在啊伯丁（Aberdeen）的试验工厂也进行了食品冻干的研究。

他们在综合了当时的一些研究成果的基础上，于1961年公布了试验成果，证明冻干法用于食品加工是一种能获得优质食品的方法。

随后在美、日、英、加等国相继建立起冻干食品的工厂，到1965年全球已有食品冻干工厂50多家，后来随着越南战争的需要，美国军需定货增多，加之冻干工艺的改进，生产成本的降低，在日、美等国食品冻干的发展就更为迅速。

现在冻干食品除在宇宙航行、军队、登山、航海、探险等特殊场合受到欢迎外，在一般民用食品中也确立了稳定的地位。

1985年仅日本就有25家公司生产冻干食品，其总销售额为1700亿日元。

随着冻干技术的应用和发展，冻干机理和技术的研究也随之发展起来。

1949年沸烙斯道夫出版了他的世界上第一本有关冻干技术及理论的专著。

1951年和1958年先后在英国伦敦召开了第一界和第二界以冻干为主题的专题讨论会。

后来国际制冷学会将冷冻干燥列为C1委员会的学术内容之一。

经过约半个世纪的发展，冻干设备和技术已趋于完善。

现代先进的冻干设备不仅能能满足各种冻干工艺加工的要求，在操作控制上已成功地采用了电子计算机全自动控制；在工艺上发明了为改善加热条件，缩短冻干周期的循环压力法，调压升华法和监控干燥结束的压力检查法；在医药品冻干中，可在真空条件下对小瓶自动加塞，对安瓶的自动溶封等。

此外冷冻干燥还应用于非水溶液的干燥。

当然冻干技术还有许多尚待解决的问题。

如妨碍冻干技术更为广泛应用的最大障碍是生产成本高，因此如何缩短冻干周期进行能源的综合利用、强化装置的功能，降低装置的功能，降低设备造价都是冻干行业特别是食品冻干行业发展学要解决的重要课题。

在我国，解放前只在实验室用简易的冻干装置进行保存菌种的试验。

1953年卫生部所属北京、武汉两生物制品研究所先后安装了大型冻干设备，迈开了我国生物制品冻干工业化的第一步。

后来在其他人用、兽用生物药品厂、生化药厂等制药行业得到发展，目前全国大约有200家左右的工厂和研究单位使用冻干机进行生物制品、医药品的生产和研究。

在食品冻干方面，60年代后期在北京、上海、大连等地相继建立了一些实验性冻干设备，70年代中起在上海建立了年产3000吨的食品冻干车间。

但是当时我国的人民生活水平低，人们有爱吃新鲜食品的习惯，冻干食品在国内市场不大；而当时的“闭关锁国”政策，冻干食品也未能打入国际市场，致使这些工厂相继停产。

现在除北京、福建、广东、青岛等地还在生产俏销的蘑菇、调料以外，食品冻干几乎没有发展。

我国可用于冻干加工的食品资源特别是土特产十分丰富，如豆制品、蘑菇、苔菜、猕猴桃、椰汁、大蒜、茶叶、蜂蜜等产品在世界上都是有名的。

随着党对外开放、对内搞活政策方针的贯彻和我国人民食品结构的改变，食品冻干业在我国将会得到迅速发展。

第一章冷冻干燥基础第一节水和溶液的一些性质一、水的状态平衡图物质有固、液、汽三态。

物质的状态与其温度和压力有关。

图1-1示出水（H2O）的状态平衡图。

图中OA、OB、OC、三条曲线分别表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽两相共存时其压力和温度之间的关系。

分别称为溶化线、沸腾线、和升华线。

此三条线将图面分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域，分别表示冰溶化成水，水汽化成水蒸气和冰升华成水蒸气的过程。

曲线OB的顶端有一点K，其温度为374℃，称为临界点。

若水蒸气的温度高于其临界点温度374℃时，无论怎样加大压力，水蒸气也不能变成水。

三曲线的交点O，为固、液、汽三相共存的状态，称为三相点，其温度为0.01℃，压力为610Pa。

在三相点以下，不存在液相。

若将冰面的压力保持低于610Pa，且给冰加热，冰就会不经液相直接变成汽相，这一过程称为升华。

二、溶液及其结晶过程1.溶液一种或几种物质以分子或离子状态均匀地分布于另一种物质中，所得到的均匀的、稳定的液体叫做溶液。

构成溶液的组分有溶质、溶剂之分，习惯上将占较大比例的组分成为溶剂，占较少比例的组分称为溶质，由水与其他物质组成的溶液称为水溶液一般将水溶液中的水成为溶剂，而不论其在溶液中比例的多少。

为了说明一种溶液，除了基本参数（例如压力、温度）外还需指出它的成分（或浓度）。

表示溶液成分的方法很多，最常用的是用质量成分表示。

对于二元溶液（即两种组分组成的溶液），如用ξ1、ξ2分别表示第一组分和第二组分的质量成分，用m1、m2分别表示相应的质量，则溶液的溶点、沸点与溶质溶剂的溶点、沸点均不相同，且随溶液的浓度不同而异。

图1-2为氯化钠水溶液的温度—浓度图。

图上的任意一点均表示溶液的某一状态，例如点A表示温度为t1，浓度为ξ1的氯化钠水溶液。

线BE、CE为饱和溶解度线，该线上的点所表示的溶液的溶解度均处于饱和状态，该线上部区域的点所表示的溶液的溶解度为未饱和状态，其下部的为过饱和状态，E点称为溶液的共晶点。

2.溶液的结晶过程使状态为A（温度t1,浓度ξ1）的溶液冷却，开始时浓度ξ1不变，温度下降，过程沿AH进行，冷却到H以后，如溶液中有“种冰”（或晶核），则溶液中的一部分水会结晶析出，剩下的溶液的浓度则上升、过程将沿析冰线BE进行，直到点E，溶液浓度达到其共晶浓度，温度降到共晶温度以下，溶液才全部冻结。

E点成为溶液的共晶点。

同理，若使状态为A′的溶液冷却，达到H′后先析出盐，然后沿析盐线CE，一边析出盐一边温度下降，直到共晶点E才全部冻结。

其过程线为A′—H′—E。

若溶液冷却到平衡状态时，溶液中无“晶核”存在，则溶液并不会结晶，温度将继续下降，直到溶液由于外界干扰（如植入“种晶”、振动等）或冷却到某一所谓核化温度T h e t，在溶液中产生晶核，这时其超溶组分才会结晶，并迅速生长，同时放出结晶热，使溶液温度升到平衡状态。

其浓度也随超溶组分的析出而变化。

其过程线为A—H—G—D—E或A′—H′—G′—D′—E。

三、冻干产品的溶液一般来说，冻干产品的溶液是由主要功能组分（如药用成分）、多种添加组分（如抗氧化剂、填充剂等等）和蒸馏水混合而成的胶体悬浮液。

它与一般能互溶的溶液不完全相同，具有一系列的低共溶点温度。

对于冻干加工来说，需要确定一个较高的安全操作温度，使得在该温度以上时，产品中存在未冻结的液体，而在该温度以上时，产品将全部冻结，这个温度就是冻干产品的共溶点温度。

一些产品的共溶点温度列于表1-1。

表1-1 一些饱和溶液的共溶温度第二节溶液的冷冻干燥过程为了有利于干燥，一般冻干产品溶液配制成含固体物质4%-15%的稀有溶液。

这种溶液中的水，大部分是以分子形式存在于溶液中的自由水；少部分是吸收于固体物质晶格间隙中或以氢键方式结合在一些极性基团上的结合水；至于固定于生物和细胞中能冻结、很难除去的结合水。

冻干的目的就是在低温、真空环境中除去物质中的自由水和一部分吸附于固体晶格间隙中的吸附水。

因此冷冻干燥过程一般分三步进行，即预冻结、升华干燥（或称第一阶段干燥）、解析干燥（或称第二阶段干燥）。

一、预冻结（预冻）预冻就是将溶液中的自由水固化，赋予干后产品与干燥前有相同的形态，防止抽空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化产生，减少因温度下降引起的物质可溶性降低和生命特性的变化。

溶液的冻结过程如图1-3所示。

溶液需过冷到冰点以下，其内产生晶核以后，自由水才开始以纯冰的形式结晶，同时放出结晶热使其温度上升到冰点，随着晶体的生长，溶液浓度增加，当浓度达到共晶浓度，温度下降到共晶点以下时。